拥有自己的生命之书

18 10 2007年

我们细胞中的遗传物质是由一种被称为脱氧核糖核酸(DNA)的化学物质组成的。一个人体细胞中全部的DNA总称人类基因组,包含了人体的所有遗传信息。遗传信息由DNA中四种不同的碱基(简称A,T,G,C)来编码,它经常被比喻为一部用A,T,G,C四种字母书写的生命之书。这是一本含有30亿个字母的巨著,我们要读懂它,首先需要知道这些字母的排列顺序,也就是测定其序列。

但是我们又知道,其中绝大部分(90%以上)的序列是没有任何意义的。因此,当“人类基因组计划”于1990年在美国正式启动,计划用15年的时间把生命之书所包含的字母按其书写顺序,不管有没有意义全都抄下来时,许多生物学家都觉得非常浪费。这项计划在2003年提前完成,总共花费了30多亿美元。实际上这些钱并非都花在用来测序,其他方面,比如开发更好、更快的测序、分析技术,也花去了很多经费。

在“人类基因组计划”的13年间,由于技术的进步,测序的速度不断地提高,费用也不断地下降。测定第一批的10亿个碱基序列用了4年的时间,而测定第二批的10亿个碱基序列只用了不到4个月。当人类基因组计划刚刚启动的时候,测定1个碱基序列的费用非常昂贵,大约是10美元,而到2001年时,这个费用已下降到了0.1~0.2美元。也就是说,用2001年的技术,花上3~6亿美元就可以把人体基因组全部测定了。

在1998年,一家私营公司塞里拉基因组学公司宣称将用新的方法独立把人体基因组重新测一遍,开始了与人类基因组计划的竞赛。他们用了3年的时间,花了大约3亿美元,完成了目标。他们用的是5个人的基因组混在一起测,但大部分测的是公司创建者克莱格·文特的基因组。文特后来在此基础上把他的基因组全部测定了,在今年9月初公布。由于这并不是一个独立的项目,很难估算究竟花了多少钱来测他的基因组。

每个人的基因组序列都不尽相同,它决定、影响着我们的长相、生理机能、健康状况等等。第一个真正个人化的基因组测序项目测的是詹姆斯·沃森的基因组。沃森是DNA双螺旋结构的共同发现者(因此获得诺贝尔奖),也是人类基因组计划的第一位领导者,让他来创这个记录,再合适不过了。这项工作是“454生命科学公司”与贝勒医学院合作做的,于今年5月份完成,总共只用了两个月的时间,花费不到100万美元。

比起几年前需要花费几亿美元才能测定一个人的基因组的全部序列,这个开支似乎低得不能再低,但是还是只有少数人才负担得起或有那样的机会,只是富人和名人的特权。不过,测序技术还在飞速发展,费用也在直线下降。去年,美国加州的“X奖基金会”宣布,如果有哪个团队能够首先实现在10天之内测完100个人的基因组,每个花费不到1万美元,那么它将获得1千万美元的奖金。按照现在的发展水平,这个目标也许用不了几年就能实现,到那时,就有很多人支付得起测定自己的基因组序列的费用了。

但是这还不够。文特也宣布,哪个团队能首先把测定人类基因组的费用降到不到1千美元,他将奖励他们50万美元。最近,BioNanomatrix公司和“完全基因组学”公司联合获得美国政府的一笔科研基金,其目标是用纳米技术开发出新的测序仪器,能在8个小时之内就测定完一个人的全部基因组序列,花费不到100美元!到那时,只要你愿意,每个人都可以获得自己的“生命之书”的抄本。

但是有这个必要吗?几年前,当人类基因组计划刚刚完成的时候,媒体曾欢呼人类“生命之书”获得了破解。其实不然。测定基因组序列只是相当于把“生命之书”抄写了下来,是否能够破解、读懂它,则是另外一回事。事实上,我们对这部生命之书的意义大部分都还无法理解。在测序技术飞速发展的同时,对基因功能的研究相比之下却是令人尴尬的缓慢。这种状况在短时间内不会有根本的改变。

当然,基因组测得越多,遗传学家就越容易通过比较不同人的基因组序列而鉴别出基因的功能。但是,在现在,以及在未来的几年内,拥有个人的基因组序列,其象征意义和学术价值远大于个人的实用价值。就拿已经知道自己的基因组序列的文特和沃森来说吧,他们能从中了解到多少有用的健康信息呢?几乎没有。研究人员没有发现他们两位有必然会得某种遗传病的基因突变。沃森的基因组中有几个基因突变会增加得癌症的风险。沃森年轻时曾经得过皮肤癌,但是我们不能确定这是否与这些突变有关,也无法知道他以后是否会得癌症。文特的基因组有几个突变与阿滋海默症(老年痴呆)、心脏病和眼睛黄斑变性有关,但也只是表明得这些病的风险比较大,并非必然就会得这些病。

其实,所谓的致病基因往往只是增加得某种疾病的风险,那么我们本人是否有必要知道我们携带着这些致病基因?如果知道,坏处是会增加我们的烦恼,特别是如果携带的是所谓不治之症的致病基因;好处是也许可以设法预防、降低患病的风险。对此文特和沃森的态度有些差异。文特想知道自己携带着的所有致病基因,在了解到自己有增加患心脏病风险的基因突变之后,考虑到他的父亲是因心脏病去世的,他开始服降血脂的药物进行预防。而沃森则要求测序公司在把序列交给他之前,把与阿滋海默症有关的一个基因的数据删掉。他今年已79岁,不想知道自己是否有得阿滋海默症的风险。

随着基因组测序的普及和我们对基因组功能了解的深入,必然要面临着的另一个问题,是所谓基因隐私的问题。你是否愿意公开你的基因组序列?是否愿意让医疗保险公司掌握这方面的数据?文特和沃森都把自己的基因组序列放在了网上公开,觉得这没什么大不了的。但别人未必都这么看得开。这个问题粗一看似乎很简单:立法保护,由本人决定是否愿意公开。但是如果考虑到一个人的基因组序列和他的父母、兄弟姐妹、子女都很大的相似性,这个问题就变得复杂了。未经亲属的同意就公开自己的基因组序列,是否在一定程度上侵犯了他们的隐私?

2007.10.7

(《经济观察报》2007.10.15)

(XYS20071017)

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大象为什么不长毛?

12 10 2007年

可能是由于在电视、电影、画册上已司空见惯,很少有人意识到,大象是最独特的动物之一。独特到什么程度呢?动物学家把多达5400种的哺乳动物根据其亲缘关系的远近很吝啬地划分为29个目,而大象就占了一个目——长鼻目。长鼻目仅仅含有三个现存物种,即亚洲象、非洲丛林象和非洲森林象,再也没有别的现存物种能与大象划入同一个目。而我们人类所属的灵长目含有350个物种,我们的近亲可比大象多多了。

大象的独特首先表现在它的庞大。它是现存最大的陆地动物,能长到高达4米,重达7吨,是排在第二位的犀牛的两倍。它的形状也很独特,最引人注目的当然是那长长的鼻子,以及巨大的耳朵。大象还有一个特征比较少有人注意到,那就是身上的毛发极其稀疏。身披毛发是哺乳动物的特征之一,99%以上的陆地哺乳动物都有皮毛,大象是罕见的例外。

有一个科学爱好者注意到了这一点。我收到他写的题为《大象的体毛为何非常稀疏》的小论文,大意是说始祖象的体型变大进化成大象后,身上毛囊的密度自然会大大降低,大象的体毛当然会变得稀疏了。这个解释是经不起推敲的。体型大并不意味着毛发就变稀疏。实际上,已在1万年前灭绝的猛犸象就长着浓密的长毛。如果有必要,现存的大象也可以身披毛发。

猛犸象生活在寒带,需要毛发御寒,而现存大象都生活在热带,没有这个必要。所以大象不长毛的一个因素,是气候。但是,和大象生活在同一个地方的许多哺乳动物,例如斑马、长颈鹿、狮子,都有毛发,为什么大象的体毛却严重退化呢?

哺乳动物是恒温动物,必须把体温维持在一个特定的温度才能保证正常的生理活动,比如大象的体温必须维持在大约36摄氏度,过高或过低都有生命危险。体热是在细胞代谢过程中产生的,它们的总量差不多是固定的,但是环境的温度则是不断在变化的。如果气温低于体温,那么就要防止体热散失,这是毛发的主要功能。而如果气温高于体温,则要想办法尽量把体热散掉。

大象生活在地球最炎热的地带,如何散热要比如何保温更重要。既然体热来源于细胞代谢过程,那么细胞越多,产生的热量就越多,也就是说,身体体积越大,产热越多。体热的散发主要是通过皮肤进行的,身体表面积越大,散热越快。但是,动物体型变大时,体积和身体表面积却不是按相同的比例增长的:体积按立方增大,而表面积按平方增大,体积的倍数增长要比表面积快得多。假如你吹一个气球,让其半径增大1倍,这时候气球的体积是原来的8倍,而表面积仅仅是原来的4倍。

由于体积和表面积不成比例的增长,考虑到大象体型的庞大,散热就成了一个极其严重的问题。大象的体积大约是狮子的30倍,即产生的体热大约是狮子的30倍,但是大象皮肤总面积大约只是狮子的10倍,还有20倍的热量需要设法散掉。因此不能像狮子那样保留妨碍散热的体毛。与此类似,体型排第二的犀牛、排第三的河马,也是没有体毛的。

大象的体积大约是犀牛的2倍,但是表面积仅仅是犀牛的大约1.5倍。把体毛去掉对犀牛是够了,对大象还不够,还必须有其他的办法来帮助散热。什么办法呢?长一对巨大的耳朵。大象的耳朵不仅大,而且薄,里面充满了血管,血流经这里,很容易就把热量散发了。特别是扇动起来,更容易把耳朵里的血的温度快速将下来,能让血温降低5摄氏度,冷却的血在体内循环,帮助把全身的温度降下来。

现存的三种大象,亚洲象体型最小,生活的地区比较靠北方,又是生活在森林中,气温较低;非洲丛林象体型最大,生活在阳光暴晒的热带大草原,气温最高;非洲森林象的体型和所在的环境气温都介于二者之间。这三种象的耳朵,以非洲丛林象最大,非洲森林象其次,亚洲象最小,刚好与大象耳朵的主要功能是散热的说法相符。

猛犸象的体型要比现存大象大,但是由于生活在冰天雪地的寒带,它面临的主要问题是如何保温,因此不仅要身披长毛,而且耳朵也没有必要很大。的确,猛犸象和现存大象相比,什么都大,就是耳朵很小。已知最大的猛犸象耳朵只有0.3米长,而非洲丛林象的耳朵可以长达1.8米。由此可见大象的大耳朵是做为散热器进化出来的,它的其他功能(例如雄象在争夺配偶时会张大耳朵进行示威)则是副产物。

生活在寒冷地区的动物的体型一般要比生活在温暖地区的同类动物大,这叫柏格曼法则。但是,寒冷地区的动物的耳朵等突出物则一般比较小,这叫阿伦法则。这两个法则其实都是对表面现象的概括,为了保温或散热才是真正的因素。

别看大象长得奇怪,其实蕴含着一点也不奇怪的简单的科学道理。

2007.10.3.

(《中国青年报》2007.10.10)

(XYS20071011)

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男人爱貌,女人爱财

9 10 2007年

在许多国家,越来越盛行为征婚者提供“快速约会”服务。这通常是在某家婚恋公司的组织下,大约20名征婚男子与相同数量的征婚女子聚会,每个人都轮流与每个异性交谈3~7分钟,交谈后在卡片上写下是否愿意与之再次见面。如果双方都有意,婚恋公司再提供对方的联系方式。在外人看来这种方式似乎显得很仓促,但是研究一再表明,人们通过短时间的接触就能对人形成很准确的判断,即使只有短短的几分钟交谈,也已足以对对方的外表、性格、智力各方面都有一定的了解。

显然,这是研究人类如何择偶的一个很好的材料。研究人员让参加快速约会的人事先填写问卷,询问他们对自己的外表(相貌、身体健康状况)、地位(社会地位、经济状况)和家庭义务(是否愿意要小孩、抚养质量)等几方面进行评价,然后表明自己想要什么样的配偶。结果表明,不论男女,他们想要的配偶的各个方面一般来说都与他们对自己的评价相当(例如,觉得自己相貌平平的,也想要一个相貌平平的配偶)。或者说,“门当户对”是一般人心目中理想的婚姻状况。进化生物学把这称为“相似-吸引”假说。

但是研究人员也发现,虽然人们心目中这么想,实际做出选择时,却完全不是那么一回事。男性和女性不知不觉地表现出了非常不同的倾向。不管是什么样的男性,他们都非常看重女性的外表,而不太在乎女性的其他方面。女性也主要是根据自己对自己的外表的评价,而对男性的外表、地位和家庭义务各个方面做出综合的衡量。例如,如果女性觉得自己长得漂亮、身材好,那么就会想找一个各方面都不错的配偶。而且,在择偶时,女性要比男性挑剔得多。在一次“快速约会”之后,男性平均来说愿意和其中一半的女性再次见面,而女性只愿意和其中三分之一的男性再见面。

这符合进化生物学的“潜能-吸引”假说。按照这个假说,动物的择偶实际上是在为繁殖后代、传播自己的基因进行投资,所以要找最有潜力的合作伙伴。但是雄性和雌性在生殖方面的投资状况不同,对合作伙伴的要求也就不同。对大多数哺乳动物来说,雄性的投资、负担比较小,主要就是贡献出了基因,受精之后其使命差不多就完成了。因此他对雌性不会很挑剔,最关心的是雌性是否有生育能力、是否能生下有良好基因的后代。女性吸引男性的那些外表特征,其实都是有生育能力、有好基因的标志。

但是雌性则不然,她的生殖投资要大多得。在受精之后,她还得忍受长时间怀孕的不便,还要承担抚养后代的主要责任。因此,她要比雄性挑剔得多,不光要看雄性是否有生育能力和好基因,还要看他是否有丰富的资源和强烈的意愿为她及其子女提供优厚的生活条件。后者可能是更重要的。

这一点,早在1871年达尔文在《人类的由来与性选择》一书中就已经提出了,可以归纳为“挑剔的雌性、竞争的雄性”原则。我们人类其实也和大多数哺乳动物一样遵循着这条择偶原则,即使我们没有意识到、乃至有意否认这一点,但是已写入基因的本能仍然在悄悄地影响着我们的选择。

2007.10.5.

(《第一财经日报》2007.10.09)

(XYS20071009)

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真的有“湖怪”吗?

2 10 2007年

(在《“湖怪”怪不怪?》(收入《方舟子破解世界之谜》一书)一文的基础上扩写)

世界各地许多湖泊、河流都传说有怪物,其中最著名的是“尼斯湖怪”。

尼斯湖是位于英国苏格兰一个大淡水湖,面积56.4平方公里,在苏格兰湖泊中排在第二位,但是如果按水量来算,则排第一,因为它的湖水很深,最深处达到了230米。
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(“湖怪”出没的尼斯湖)
早在一千多年前,就有记载说那里有怪兽杀了人。据称,公元565年,爱尔兰传教士圣库仑(Saint Columba)在苏格兰传教时,听说有人在尼斯河(尼斯湖由这条河入海)游泳被怪物杀死了,于是派了一个人下河把怪物引出来,怪物冲向游泳者时,圣库仑高喊上帝的名字,手在空中划十字,命令怪物后撤,怪物果然乖乖地逃走了。围观的苏格兰人又惊又喜,目睹了神迹,于是纷纷改信基督教云云。
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(爱尔兰传教士圣库仑让许多苏格兰人都改信基督教)
这段记载并没有描述怪物的模样,这头怪物凶狠杀人的本性和后来尼斯湖怪温和、害羞的形象也完全不符(莫非湖怪被圣库仑改了脾气?),但是相信尼斯湖怪存在的人还是把它当做尼斯湖怪的最早记载。其实这段记载完全不可信。它出自7世纪一本宣传圣库仑事迹的书《圣库仑的一生》,书中记载圣库仑创造的许多神迹,包括在苏格兰各地到处降妖伏魔,甚至动动嘴巴发出声音就能杀死野猪,降服尼斯怪物不过是其中一个不起眼的事迹而已。

尼斯湖怪的历史开始于上个世纪30年代。在1930年,当地的报纸开始出现有人在尼斯湖见到怪物的报道。闹得最凶的是1933年,一年之中就有20多起目击尼斯湖怪的报道,当时英国伦敦一家马戏团的老板伯特伦·米尔斯(Bertram Mills)还为此高价悬赏2万英镑(相当于现在1百万英镑)捕捉尼斯湖怪,引起广泛关注。1934年,医生罗伯特·威尔逊(Robert Kenneth Wilson)出示了一张据称他在当年4月19日抢拍到的尼斯湖怪的照片,更加轰动。这张照片虽然不是很清晰,但还是显示出了人们心目中湖怪的形象:长长的脖子和扁小的头部露出湖面,很像是一种早在七千多万年前就已灭绝的蛇颈龙。
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(1934年公布的尼斯湖怪的照片。有人临终忏悔说这上面的湖怪是他和其他四人用玩具潜水艇和塑料制作的。)
因为这张照片,尼斯湖怪名扬全球,给当地带来了非常可观的旅游收入,据说累计达200多亿美元。当地旅游公司为此推出了各种观光项目,都是围绕着尼斯湖怪展开的,甚至还有专门的潜水游让你有目击湖怪的机会。琳琅满目的尼斯湖怪纪念品更是观光客必买的。去寻找湖怪的人多了,奇遇也就越来越多,到现在已有好几千人声称亲眼见到尼斯湖怪,有的还抢拍到了湖怪的照片和录像,可惜都过于模糊,难以辨别出究竟是什么东西。人们对尼斯湖怪的热衷引发了多次科学考察活动,动用了声纳之类的先进探测设备,看能不能捕捉到湖怪的踪迹。在1975年6月的一次考察活动中,研究人员用水下照相机拍到了一张模糊的照片,用计算机进行图像加工后,看上去很像一个怪兽的头部,引起了轰动。但是随后被证明了那只是一段木头。

人们对尼斯湖怪究竟是什么,提出了很多种推测,说得最多的是,它可能是一种在其他地方已经灭绝的史前动物,类似于蛇颈龙。但是如果尼斯湖怪是蛇颈龙,它的头就不能像我们在照片中看到的那样高高地探出水面。英国剑桥塞奇威克博物馆的古生物学家莱斯利·诺伊(Leslie Noe)是研究蛇颈龙的专家,他认为蛇颈龙颈部的骨骼构造决定了它不能像天鹅那样把脖子伸出水面。蛇颈龙是用它的长脖子来捕食水底的软体生物的。
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(已在七千多万年前灭绝的蛇颈龙的化石。)

1994年3月,尼斯湖怪的名声受到了重大打击。一个名叫克里斯蒂安·斯伯灵(Christian Spurling)的90岁老人向两名寻找尼斯湖怪的科研人员临终忏悔,供出那张著名照片上的湖怪是他和其他四人用玩具潜水艇、塑料和木头制作的。他说,骗局的策划者是他的继父马马杜克·威塞雷尔(Marmaduke Weatherell)。1933年,当尼斯湖怪在苏格兰闹得沸沸扬扬时,以猎杀大猎物著称的威塞雷尔受雇伦敦《每日邮报》寻找尼斯湖怪。终于,他在当年12月在尼斯湖畔发现了一行通往尼斯湖的怪物脚印。不幸的是,大英自然历史博物馆的专家分析了这行脚印后,指出那是一个恶作剧,是有人用布料做的河马脚(当时流行用它做遮阳伞的底座)印出来了。威塞雷尔被《每日邮报》公开羞辱,恼羞成怒,决定也搞一个恶作剧进行报复,于是让他的儿子伊恩·威塞雷尔(Ian Weatherell)买来材料,让他的继子、雕刻专家斯伯灵制作出湖怪模型,在湖上拍了照片后,又让他的一个朋友与威尔逊联系,由威尔逊将照片公开,因为威尔逊是名医,需要利用他的名声。他们没有想到这个张照片会引起如此大的反响,因此放弃了戳穿它的原定计划。

在斯伯灵忏悔时,参与骗局的其他人都早就去世了,没有了佐证,因此他的说法是否属实也就难以确证。不过,在那之前,那张照片的真实性就已经遭到了怀疑。人们一般见到的这张照片都是经过裁剪的,让“怪物”的形象显得很大。如果看完整的照片,从水波判断,会发现它其实很小。1984年,斯图尔特·坎贝尔(Stewart Campbell)对原版照片做了认真分析,认为所谓“怪物”的身长只有2~3英尺(1英尺=0.305米),可能是水獭或水鸟。现在看来,更可能是个玩具。

当然,那张最著名的尼斯湖怪照片是假的,并不能说明尼斯湖怪就不存在。但是,在2003年7月,“尼斯湖怪”存在的可能性被安全排除了。英国广播公司组织对尼斯湖进行了彻底的搜寻。他们用卫星导航技术,向尼斯湖发射了600条声纳射线,涵盖了尼斯湖的全部范围。如果“尼斯湖怪”存在的话,声纳碰到它肺里的空气,再反射回去,探测器就能收到畸变信号。但是探测器只收到了研究人员用来做试验的水中浮标反射回来的信号,而没有发现任何大型水生动物的踪迹。“尼斯湖怪”并不存在。

如果“尼斯湖怪”并不存在的话,目击者看到的又是什么呢?2006年,英国著名古生物学家尼尔·克拉克(Neil Clark)把一些看来比较可靠的尼斯湖怪照片和大象在水中洗澡的情形做了比较,发现它们非常相似。克拉克利用计算机成像技术,在屏幕上逼近地再现了大象洗澡的情景,发现了一个有趣的现象:大象在洗澡时,经常是把长长的鼻子伸出水面,露出头顶和后背。克拉克因此提出,尼斯湖怪可能就是前面提到的那位伦敦马戏团老板为了炒作故意制造的假新闻,所谓的湖怪其实只不过是在水中洗澡的马戏团大象。在1933年,该马戏团在尼斯湖周围地区巡回演出,马戏团里的大象在演出完毕后,喜欢跳进尼斯湖洗个澡。大象在湖里洗澡的时候,人们只能看见大象鼻子和后背,给人的印象是,那是一头长着长长的脖子的怪物。马戏团老板很清楚是有人把大象当成了湖怪,湖怪根本不存在,所以才敢高价悬赏,不用怕真的出高价钱就为自己做了广告。
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(这张著名的尼斯湖怪的照片其实是在斯里兰卡拍摄的,是一头游泳的大象。)

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(在湖中洗澡的大象看上去很像湖怪。)
但是后来尼斯湖边的马戏团基本上绝迹了,还是时不时会有人声称看到了湖怪,这就没法用大象理论来解释了。但还能有别的解释。例如,可能是人们把湖底地震引起的水波当成了怪物在作怪。意大利地质学家鲁齐·皮卡迪(Luigi Piccardi)指出,尼斯湖刚好位于一个活跃的地壳断层上,他的研究发现每当那个断层发生地震,就会出现目击湖怪的报道。

其实,世界很多地方都有类似的传说。包括咱们中国,传说有湖怪、水怪的地方就很不少。比如20年来已多次有过游客在新疆的喀纳斯湖发现湖怪的报道。还有北京游客用随身携带的摄像机把喀纳斯湖怪拍摄了下来,交给媒体。我曾经看过从摄像截取的画面,可惜过于模糊,看不清楚究竟是什么怪物。据目击者说,是“两个不明黑色大物”,单个长度目测约10米左右,跃出水面,一前一后,像鱼那样跳跃行进,大约2分钟后便隐藏到水下。为揭开喀纳斯湖怪之谜,据说有人要搞耗资巨大的探秘活动。自从1980年以来,也一直有报纸报道说,在长白山的天池有多人多次目睹过“天池怪兽”,足有3米多长,而且成群结队。此外,我国最大的内陆湖泊青海湖、河南泌阳的铜山湖、湖北洪湖市的一个水潭里等等都传说有怪物出现。甚至我老家的河流中,也历来传说有“水鬼”害人。
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(“喀纳斯湖怪”录像的截图。你能看出那是什么吗?)

从生物学的观点看,存在大型“湖怪”、“水怪”的可能性微乎其微,甚至可以说不可能。体型巨大的动物只能是鱼类、爬行类或哺乳类动物,而这类高等动物是不可能只靠一对雌雄,或者少数几头来传宗接代的,因为那样的话,就会出现近亲繁殖。大家知道,近亲繁殖生下的后代,身体状况、生存能力都是比较差的,很快会导致整个群体灭绝。要避免出现近亲繁殖,一个动物群体至少要有几百头个体。动物是要吃饭的,体型越大吃得越多,一个面积不过几十平方公里的湖泊并不具有长期维持一个数百头大型动物的生态系统。据估计,尼斯湖中的鱼类总重量不可能超过30吨,最多10%的鱼能被其他动物捕食,据此又可以估计,加入尼斯湖中生活着一群以鱼为食的捕食者的话,即使只有10头这样的捕食者,它们的体重也不会超过300千克,并非庞然大物。况且,一个地方如果真存在数百头大型动物,就不会那么难以发现。除了“湖怪”的传说,各地还有神农架野人、“雪人”、“大足怪”等等类似的传说。这些传说之所以不可信,也是基于同样的理由。

观光客偶尔目击到的“湖怪”,更可能是某种已知的普通生物,甚至是非生物。在没有经过专业训练的眼中,水里的鱼、水獭、马鹿、棕熊等动物,乃至木头、岩石、阴影、波浪,远距离看来都可能变成怪物,并夸大了它的大小。特别是在传说有湖怪的地方,游客本来就有寻找湖怪的预期心理,就更容易捕风捉影了。中央电视台“走进科学”节目组到长白山做了调查,采访了“天池怪兽”的目击者,并向专家请教。他们认为,人们看到的“天池怪兽”可能是生活在天池水中的一种哺乳动物——水獭。水獭的形态、习性与几位目击者对“天池怪兽”的描述完全吻合。水獭喜欢捕鱼,每年的夏季从松花江顺流而上,寻着鱼的踪迹来到天池,难怪几乎所有的湖怪目击者事件都是发生在7、8月份。在上个世纪80年代,我国开始出现有关“天池怪兽”的报道时,曾引起朝鲜政府的注意。朝鲜警方派人对天池进行了大约三年的监视,仔细观察后,认为那头被当成“天池怪兽”的黑乎乎的动物原来是一头熊。
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(1980年根据目击者描述绘画的“天池水怪”。)

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(据说水波中间的那个黑点就是“天池水怪”。)

其实,长白山天池是在大约1000年前才由于火山喷发而形成的,根本不可能还会有史前动物。而且在天池形成之后,火山还喷发过三次,最近的一次是1702年。就算有什么史前动物,也早就因为火山喷发被灭绝掉了。地质部门探测到天池火山岩浆含有比较高的放射性物质,有人就会想到,会不会像一些科幻电影描写的那样,放射性物质引起了天池中的某种动物发生“基因突变”,变成了怪兽呢?这是只有科幻电影才会出现的情况。放射性辐射的结果确实有可能引起基因的突变,但是基因突变绝大多数都是有害的,使动物的后代没法生存。个别的可能存活下来,那也是一些生存能力比较差的畸胎,不可能说一下子让动物后代变得特别大,又特别适合于生存。

那么喀斯湖“湖怪”又是怎么回事呢?据目睹过喀斯湖“湖怪”的生物学专业人员说,“湖怪”可能是哲罗鲑。哲罗鲑是淡水鱼中最凶猛的鱼之一,体长一般在40-50厘米,有的可长达1米以上。在喀斯湖捕捉到的哲罗鲑并没有超过2米的。目击者声称看到“湖怪”或哲罗鲑时,目测其大小在10米左右,并不可信。目测是很不准确的,而且有可能把一群鱼看成了一条鱼。
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(在喀纳斯湖捕捉到的哲罗鲑。)
眼见并不为实,人们的眼睛是很容易受欺骗的,照片、摄影也会骗人。现在并没有确凿的证据证明存在“湖怪”,根据生物学知识也不太可能存在“湖怪”。媒体为了满足人们的猎奇心理而大肆炒作“湖怪”并不足取,如果地方政府为了开发旅游资源而故意推波助澜,更是等而下之了,我们对此不要轻信。

2007.9.18.

(《科学世界》2007.10)

(XYS20071002)

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“人兽杂交”不会产生怪物

27 09 2007年

今年以来国内媒体已经闹过了两次“人兽杂交”恐慌,还都和英国有点关系。3月份的时候,英国报纸报道称美国科学家已经创造出了含15%的人类细胞的“人兽羊”。最近,英国人类生育与胚胎研究管理局(HFEA)原则上批准了两项研究计划,允许将人的遗传物质(DNA)放入牛的卵细胞中制造种间杂交胚胎。

这两则新闻之所以会引起这么大的风波,是因为一般公众并不了解实验的具体情况,以为科学家们已经或者将要做人兽杂交的实验,创造半人半兽的怪物,想想是有点吓人,让人感到恶心。不过这是对这些研究的误解。一般人心目中的人兽杂交,是指让人和兽的生殖细胞结合,产生出一个半人半兽的杂种,就跟驴、马交配生下骡子一样。这种杂交实验要获得成功,需要两个物种的亲缘关系很近才行。让人和黑猩猩杂交都很可能不会成功,更不要说和牛、羊了。所以这种一般人心目中的人兽杂交在目前的技术条件下是不可能成功的。而且,制造这种怪物没有用处,并没有科学家主张做这方面的探索。
美国科学家研究的所谓“人兽羊”并非人和羊的杂交后代,也不是混杂人和羊特征的神话怪兽,它其实和一般的羊没什么区别,只不过其身上混入了一小部分人的细胞而已,生物学上叫做异种“嵌合体”。异种“嵌合体”其实并不稀奇。比如,许多心脏病患者移植了猪或牛的瓣膜,他们就都是异种嵌合体。科学家制造人羊嵌合体,也是想解决异种器官移植的难题,因为掺杂了人细胞的羊的器官,移植到病人身上可能较不容易引起排异反应。
至于英国科学家想要做的杂种胚胎实验,如果知道了它是怎么做的,更不会觉得有什么可怕。他们计划把牛的卵细胞中的细胞核去除掉,然后把人的细胞核移植进去,这样产生的卵细胞,细胞核是人的,细胞质是牛的,生物学上叫做“胞质杂交”。类似的实验国内曾经做过。2003年,上海第二医科大学的研究人员将人类皮肤细胞的细胞核注入到去除掉细胞核的兔子卵细胞中,据说培育出人类胚胎干细胞。但后来并未见到该实验的后续报道,对其真实性存在争议。
这样的“胞质杂交”会出现什么结果呢?动物细胞的基因几乎都在细胞核中,所以把人的细胞核移植到已去掉细胞核的牛的卵细胞中,其实就是想把牛的卵细胞改变成人的细胞。不过,事情并没有这么简单。问题出在细胞质含有许多叫线粒体的细胞器,它们的作用是为细胞提供能量,但是它们也有自己的基因,这些基因是卵细胞原有的,也就是来自牛的。
那么,线粒体基因有多少个呢?总共是37个,而细胞核含有的人的基因是两、三万个。所以,“胞质杂交”产生的细胞,它的基因99.9%是人的,0.1%是牛的,这一点点的牛的线粒体基因只参与为细胞提供能量的过程,而且只是整个过程中的极少的一部分(大约有3000个基因参与了线粒体的功能,大部分来自细胞核),它们所起到的作用和人的线粒体基因是一样的,没有什么差异。因此,说人-牛胞质杂交的结果得到的实际上还是人的细胞,也是说得过去的,它绝不是半人半牛的杂种。而且,也没有人主张要把这种“胞质杂交”细胞放进子宫让它完成发育,所以也不用担心万一弄不好生下什么怪胎。
既然如此,费这么大劲做这种胞质杂交的实验干什么?为了能得到人类胚胎干细胞。胚胎干细胞是一种很特殊的细胞,能分化成所有组成人体的各种细胞,有望用它来修复那些被疾病和创伤所破坏的各种各样的组织和器官,对它的研究为治疗多种慢性疾病带来了希望。比如说,如果能让胚胎干细胞分化成神经细胞,是不是就能够用它来修复神经损伤,治疗帕金森病、老年痴呆症之类的绝症呢?
但是如果用的是他人的胚胎干细胞,在把它们放进病人体内后,就会出现排异反应。如果用的是病人自己的胚胎干细胞,可以避免这个问题。但是胚胎干细胞顾名思义,是胚胎时期产生的,病人体内早就没有了。那么,能不能把病人的体细胞变成胚胎干细胞呢?
这可以利用体细胞克隆技术来做。把人的体细胞的细胞核转移到已去掉细胞核的人的卵子中,相当于制造出一个没有精子参与的受精卵,让它分裂,就能得到胚胎干细胞。不过,人的卵子很不容易拿到,而且制造人的胚胎做实验,在国外一直存在着社会阻力。如果能用牛或兔子等动物的卵细胞做为材料制造病人的胚胎干细胞,就不存在这些问题了。
所以,做“胞质杂交”实验本来是为了解决材料来源问题,并避开某些伦理争议,而最终的目的,则是为了能够治疗疾病。这项实验引起了新的伦理争议,还被妖魔化了一下,大概是当初没有料到的。公众关系科学技术的进展,是好事,对之发表评论,也是言论自由。不过,在发表涉及到科学问题的评论之前,还是应该去弄清楚究竟是怎么回事。国内外都有一些人习惯于不先去做必要的功课就贸然质疑科技进展,大道理一套一套的,却都是无的放矢。但可能因此误导了公众的看法,妨碍了能造福人类的科学研究,是很不负责任的。
2007.9.25.

(《第一财经日报》2007.9.27.)

(XYS20070927)

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科学是美丽的

26 09 2007年

怎么会有那么多人觉得科学是枯燥乏味的呢?科学告诉我们小至夸克、大至宇宙的现象和规律;揭示了我们是谁,从哪里,到哪里去;指导我们如何过健康的生活;警戒我们如何保护我们的家园……会有谁觉得这些是无聊无趣的吗?古人云:“朝闻道,夕死可也。”科学告诉我们的,正是关于宇宙万物、生老病死之大道,比任何一种哲学或任何其他的学问所能告诉我们的要丰富得多,也可靠得多。人类千百年来无数智者哲人苦苦思索的众多难题,只有科学才给出了确切的答案。
如果你对科学望而生畏,是因为害怕数学公式、厌烦记忆化学分子式、理解不了刁钻的物理难题……我可以理解,但是科学要比课堂上为了应付考试而灌输的内容宽广、深入、有趣得多。你完全可以在课外、业余去轻松地欣赏它。有一些从事科普工作的人甚至自己也觉得科学是枯燥乏味的,所以要借助“文艺加工”给科学增添趣味色彩,插科打诨、恶谑搞笑、耸人听闻、神秘玄乎……喧宾夺主,掺入了太多的水分,冲淡了科学的原味。科学的世界里本来到处都埋藏着吸引人的真金,有能力的挖掘者都会满载而归,向世人展示科学原本的魅力,而不必涂抹上虚假的颜色。优秀的科普著作、期刊和影视节目从来就不怕以科学的本来面目示人。
科学的魅力在于它能够从简单的事物中发现复杂的奥妙,从复杂的事物中发现简单的规律,从杂乱无章、形形色色的事物中发现它们之间存在的历史或现实的关系。科学之美在细节之中,在宏大之中,在严密的逻辑和确凿的证据之中,在广袤的空间和悠久的时间之中。有什么童话会比生物的发育更美妙,有什么神话会比生物的进化更神奇,有什么史诗会比宇宙的演化更宏伟呢?再多的“先知”、诗人、艺术家、哲学家也想像、描绘不出如此绚丽辉煌的图景:从一个奇点的大爆炸开始,历经一百多亿年诞生了800亿个星系、500万亿亿颗恒星;从简单的化学分子开始,历经几十亿年的进化诞生了今天地球上的千万个独特的物种。只有科学才能谱写这首最为壮丽的、永远写不完的史诗。
科学也打破了人类自古以来就抱有的许多美妙、神奇的幻想:点石成金、长生不老、得道成仙、天神拯救……但是科学也赋予了人类更多美妙、神奇的东西。它让我们合成了无数比金子更宝贵的材料,让我们发现了生命的奥秘,让我们走向了浩瀚的太空……好梦虽然被科学搅坏,美妙和神奇却并不会因此就不存在。现实虽然残酷,却也有美好的一面,有时甚至比美梦更美妙、神奇。但是科学的美妙、神奇与虚妄的美妙、神奇不同,是可以分析、验证和实现的。科学的美是深刻而真实的。宗教、迷信、伪科学有时候也看上去很美,却是一种经不起分析、验证的肤浅、虚妄之“美”。人们常常被这些虚假的美所迷惑,而科学的一个任务就是澄清假象。在假象背后的真相,并非就是丑陋的。真理是赤裸裸的,但是是美丽的裸体。
与科学真理一样美丽的是科学的方法:在观察的基础上提出假说,然后设计新的观察或实验对假说加以严格的检验。抱着怀疑的态度,在实证的基础上,以逻辑为工具,不断地探索,不断地解决一个个谜团,不断地获得新的知识,而且是人类所有知识中最为可靠的、客观的知识。科学不怕怀疑,欢迎检验,而结论又是牢靠的,可以被独立地、反复地证实。科学告诉我们为什么天是蓝的,为什么雷有回声,为什么梦是假的,为什么死无报应……你可以不相信,但是科学的事实不会由于主观的意愿而改变。不要抱怨科学束缚了你的想像,科学能够提供的想像空间要比任何人能够拥有的都宽广得多。
科学之美丰富多彩、无穷无尽,永远不必担心出现审美疲劳。对科学了解得越多,就越能发现、越容易欣赏科学的美丽。但是科学就像一个冷艳的美人,只有主动去亲近她,才能感受到她的美丽。你需要掌握她的方法,需要拥有必备的知识,但是最根本的是,你是否愿意放弃对科学的偏见,准备全身心地爱她,热情地拥抱她?

2007.9.23.

(《中国青年报》2007.9.26.)

(XYS20070926)

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没有怪也会见怪

26 09 2007年

近年来每隔一段时间,国内媒体上就会出现某个旅游点又出现“湖怪”、“怪兽”的报道,出现频率最高的是新疆“喀纳斯湖怪”和长白山“天池怪兽”。近日一位当地记者在长白山天池碰巧拍下了6头“怪兽”游泳的录像,又成了新闻,新华社报了,主流电视台播了。我看了那段视频,实在看不出怪在哪里。去年央视“走进科学”节目组曾到长白山做了调查,专家认为人们看到的“天池怪兽”可能是生活在天池水中的一种哺乳动物——水獭。从视频看,也的确很像是6只水獭在游泳。
并不是你不认识的动物就都是“怪兽”,你不认得别人未必不认得。即使是没有人认得的不明动物,也未必就是怪兽:每年动物学家都会发现很多新物种,有什么奇怪的?要被称为“怪兽”,起码得是未知的庞然大物,英语所谓monster是也。目击“天池怪兽”的记者说它们只有羊那么大,是算不上“怪”的。
世界上最著名的“怪兽”是苏格兰尼斯湖的“湖怪”。如果目击者的描述是准确的,那的确是庞然大物,而且形状也很古怪,很像是一种早在七千多万年前就已灭绝的蛇颈龙。自从上个世纪30年代“尼斯湖怪”闻名于世以来,有几千人声称看到过它,还拍下了不少照片、录像。可惜,那些清晰的照片、录像都被认为是伪造或加工过的,真实的照片、录像又过于模糊,让人无法判断究竟是什么东西。
人们对“尼斯湖怪”的热情甚至感染了正儿八经的科学家,对尼斯湖进行过几次大规模的调查,想要探个究竟。比较近的一次是1987年10月,出动了20艘船,有系统地用声纳把整个尼斯湖探测了一遍,发现那里有很多鲑鱼,但是没有发现“湖怪”。
最近的、也是最系统的一次探测活动是2003年由英国广播公司(BBC)组织的。他们采用卫星定位技术,动用了600条声纳射线,把尼斯湖全面地扫射了一遍,不放过任何一处。其原理是:如果湖里有“湖怪”,它的肺里就有空气,而声波在空气的传播速度和在水中是不一样的,这样就会发现声纳信号出现失真。他们的确发现了失真的信号——不过那是供测试而放在水中的浮标传回来的。此外没有发现其他的失真信号。所以结论是:“尼斯湖怪”并不存在。
那么怎么会有那么多人觉得自己见到了“湖怪”呢?在传说有湖怪的地方,游客本来就有寻找湖怪的预期心理,很容易捕风捉影,看什么都像怪物。参与BBC考察活动的人员做了个实验。他们在湖里藏了一根栏杆,当游客在湖边聚会时,让栏杆升出水面。事后对游客做了采访,让他们画下见到的东西。有些游客画下了“湖怪”一样的头。
自古以来世界各地的湖泊、河流都有“水怪”、“水鬼”害人的传说,现在的“湖怪”、“怪兽”传闻其实与之是一脉相承的。只不过以前的传说是为了吓唬小孩别去游泳,现在的传闻则是为了吸引游客去观光。“尼斯湖怪”给当地带来的旅游收入据说累计达200多亿美元,有多少地方也想去分一羹啊。有这么大的商业利益,岂是煞风景的科学考察结果改变得了的。

2007.9.19

(《第一财经日报》2007.9.25.)

(XYS20070925)

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达尔文的鸣雀

19 09 2007年
   1831~1835年间,年轻的达尔文做为一名不领工资的博物学家随贝格尔号环球航行收集动植物、化石标本,为他后来创建进化论打下了基础。在达尔文带回英格兰的标本中,最著名的是加拉帕戈斯群岛上的鸣雀标本,它们后来干脆被统称为“达尔文鸣雀”。传说由于达尔文在加拉帕戈斯群岛看到如此多样的鸣雀才创立了自然选择学说。事实上,达尔文在岛上采集这些鸣雀标本时,对它们并没有多加注意,还以为它们有的属于乌鸫、鹪鹩、大嘴雀等不同科的鸟类。回到英国后,著名鸟类学家约翰·古尔德才鉴定出它们都属于鸣雀,而且分属13不同的物种,都是在其他地方没有见到的新物种。
   
和它们最接近的是生活在南美洲大陆沿岸的蓝黑草雀。这种草雀是吃种子的。达尔文鸣雀有几种在地面上生活,也吃种子,但是其他鸣雀有的专吃树芽,有的吃仙人掌的花和果实,有的吃树上的虫子。有的鸣雀的习性非常独特,例如啄木鸣雀居然能使用工具,用喙叼一根仙人掌刺,用它钩出树洞里的虫子。还有的鸣雀以巨龟、鬣蜥甲上的寄生虫为生,有的则吸海鸟的血!
   
通过比较基因序列,我们现在可以推测达尔文鸣雀是大约在1百万年前从草雀进化来的。如此多样的鸣雀是怎么进化来的呢?达尔文鸣雀粗粗一看形态都差不多,但身体大小不同,鸟喙的大小、形状差别则更大。这和它们的生活习性有关。吃昆虫的,喙比较窄小;吃树芽的,喙非常粗大的,用来把树芽从树枝上拔出来;啄木鸣雀的喙像凿子;吸血鸣雀的喙又尖又利……达尔文指出,从这些喙的构造可以设想这些物种的由来,是某个原始物种“为了各种不同的目的而发生改变”。
   
如果达尔文的设想是正确的,那么鸣雀鸟喙结构的差异是为了适应不同的食物而进化出来的,是自然选择的结果。例如,有4种地上鸣雀都用喙来咬碎种子,但是它们的喙的大小都不同,那么根据达尔文的假说,这是由于它们吃不同的种子导致的。那些喙更粗大的,应该吃更难咬碎的大种子;喙较小的,则吃小种子。
   
在达尔文之后,加拉帕戈斯群岛成了生物学的圣地,许多生物学家都拜访此地。但是过了100年,才有一位英国中学教师想到要去那里检验达尔文的假说。1938年,在一所私立中学任教、后来成为著名鸟类学家的大卫·拉克请了一年的假前往加拉帕戈斯群岛观察鸟类,后来在1947年把他的研究成果写成《达尔文鸣雀》一书,才使“达尔文鸣雀”这一名称传播开去。他在岛上仔细观察了5个月,发现不同种的地上鸣雀吃的种子并无区别,喙大和喙小的都在吃相同种类的种子。这个观察结果与达尔文的假说看来是矛盾的。达尔文是不是错了?
   
我们现在知道,拉克的观察虽然很仔细,却不幸选错了时间。他在岛上的5个月属于雨水充足的年份(雨年),食物非常丰富。不管是喙大还是喙小的鸣雀,都很容易找到小种子来填饱肚子,喙的差异的重要性显现不出来。但是一旦进入干旱的年份(旱年),情况就大不相同了。
   
要解决这个问题,需要在岛上观察更多的时间。从1973年开始一直到现在,普林斯顿大学教授格兰特夫妇和他们的学生都在加拉帕戈斯群岛上研究鸣雀,格兰特夫妇本人每年要在岛上住半年。他们主要以群岛中的一个小岛——大达芙妮岛为研究基地,把该岛上的一种地上鸣雀——中地雀的每一只都做了标记、编号,测量它们的喙深(喙基部从上到下的长度),观察它们的进食情况和后代的演变。
   
他们观察到,在厄尔尼诺现象引起的雨年,小种子很多,是这些鸣雀的主要食物。这时候喙大而无用,反而会浪费能量,是一种劣势。而在拉尔尼诺现象引起的旱年,小种子很难找到,只能吃更大、更干的种子,这类种子比较难咬碎。这时候喙大的鸣雀就表现出其生存优势了。统计表明,在旱年,鸣雀群体的平均喙深将会增加,而在雨年,平均喙深则减少。
   
那么喙深的变化是自然选择的结果呢,还是后天因素导致的,例如营养好的鸟喙大,营养差的鸟喙小?为了排除后一种可能,格兰特夫妇把鸣雀的后代的喙和亲代进行比较,比较了很多代,发现喙的大小能被忠实地遗传下去,喙深的差异是由遗传决定的,与营养因素无关。2004年,决定鸣雀喙的大小的基因Bmp4被发现了。把它转入鸡胚胎中,鸡也会长出和大地雀一样粗大的喙。
   
2003年,大达芙妮岛发生严重干旱。根据预测,喙大的鸟应该生存得更好。然而没有。原来在1982年,从邻近的岛迁移来了一群大地雀在此传宗接代。它们的喙比中地雀中的大喙鸟还要大。大地雀把岛上的大种子都吃光了,在这种情况下,中地雀中的小喙鸟比大喙鸟需要的食物更少,靠吃残存的小种子可以勉强度日,反而有了生存优势。因此在大旱后,中地雀群体的平均喙深反而变小了。这也是自然选择。格兰特夫妇认为,这是他们30多年来所看到的最强的自然选择证据。达尔文还是对的。

2007.9.17

(《中国青年报》2007.09.19)

(XYS20070919)

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如果你崇拜太阳……

16 09 2007年
   国人初到美国,往往会觉得美国的阳光格外明媚,这当然不是因为美国的太阳比中国的明亮,而是人家空气没有受到什么污染。其次会发现美国人特别喜爱阳光,海滨、草地上挤满了晒太阳的人们,大街上见不到有人打太阳伞,而在户外活动,也不像中国人那样选阴凉的地方,而是在太阳底下进行。美国姑娘们以把皮肤晒成褐色为美,太阳晒少了,还要专门在室内用紫外辐射来照。如果美国化妆品像在中国那样以“美白”为号召,定然是卖不出去的。
   
但这种热爱阳光的文化导致了一个严重的后果:皮肤癌成为美国发病率最高的癌症,每年大约有一百万名美国人被诊断得了皮肤癌,近一半的美国人在65岁时至少已得过一次皮肤癌。90%的皮肤癌是因为皮肤过度暴露在阳光下引起的,特别是对浅肤色的人影响更大。因此美国皮肤癌基金会有一句著名的口号:“如果你崇拜太阳,祈祷你不得皮肤癌。”
   
这就催生了一个庞大的防晒霜市场,光是获得美国皮肤癌基金会推荐的防晒霜品牌就有60多种。它们的化学成分其实都差不多,包括两类:有机的成分(例如二苯甲酮-3)能吸收掉紫外线,无机的成分(例如氧化锌)则是不透明的颗粒,用来反射掉紫外线。
   
为了吸引消费者,各个品牌的防晒霜往往标榜具有一些特殊的性质,比如号称能防水,能全日防晒,防晒系数高等等。反正一般的消费者对防晒系数没有概念,觉得越高越好。为此美国食品药品管理局(FDA)在1999年做出规定,防晒霜在标注防晒系数(SPF)时不能高于30,30以上的标为30+。不过这个规定似乎并没有被严格执行,我在美国就买到过SPF45的防晒霜。
   
防晒系数是根据防晒霜延缓阳光晒伤的程度测定的。例如,如果一个人暴露在阳光下过了12分钟皮肤会晒伤,那么涂了SPF10的防晒霜,就能保护皮肤120分钟后才被晒伤。这是1962年就开始使用的一个标准。但是这个标准并不能完全反映防晒的效果。
   
这是因为阳光中紫外线能对人体产生伤害的有两类,波长短的(波长在290到320纳米之间)叫UVB,波长长的(在320到400纳米之间)叫UVA。导致晒伤的是UVB,因此防晒系数反映的是对UVB防护效果。但是UVA虽然不引起晒伤,却能深入到皮肤的深处,是引起皮肤变黑和过早老化的主要因素,并且和UVB一样都能导致皮肤癌。而且,UVA对皮肤的损害能持续很长时间,即使不照阳光也还会继续累积。有一项研究表明,用相当于正常阳光辐射量的UVA照射两周之后停止照射,过了16个月,还能在皮肤上检测到紫外线导致的基因突变,而且突变量持续累积,可到32倍。
   
在UVA的危害被人们认识到后,市场上各种品牌的防晒霜又都纷纷声称能对紫外线提供广谱保护,意思是不仅能抵挡UVB,也能抵挡UVA。但是对UVA的保护效果如何,却没有标准,难辨真假。
   
为此,FDA最近发布防晒产品新规定草案,除了准备把防晒系数的限制提高到SPF50+,主要就是要为UVA的防护制定标准,用1到4星表示对UVA的防护效果的高低。
   
其实,防晒霜究竟能起到多大的防护作用,是一直有争议的。有的研究甚至认为,如果防晒霜使用不当,不是每过2小时就涂一次,对皮肤的损伤反而更大。不过,紫外线能够导致皮肤癌和皮肤过早老化,却是没有疑义的。保护皮肤的最好办法是躲避和遮挡阳光,使用防晒霜只是最后的选择。

2007.8.30

(《第一财经日报》2007年09月11日)

(XYS20070916)

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小蛾子如何解决了大问题

13 09 2007年
   生物课本在介绍进化论时都会提到,一种蛾子翅膀颜色的变化证明了自然选择理论之正确。但是教科书过于简略的介绍,使学生们没有领会到,这同时也是一个理解科学研究是如何进行和深入的绝好例子。
   
这种蛾子是桦树的主要害虫,因此中文学名叫桦尺蛾,英文则称之为“斑点蛾”,这是因为在19世纪中叶之前人们见到的这种蛾,都是浅灰色的翅膀上散布着一些黑色斑点。1848年,昆虫学家首次在英国工业城市曼彻斯特附近采集到了黑色翅膀的桦尺蛾标本。之后,人们采集到的黑蛾标本越来越多,而且都集中在空气污染严重的工业化地区。到1895年,曼彻斯特附近的黑蛾所占的比例激增到接近100%,而在非工业化地区,灰斑蛾仍然占绝对优势。
   
看来,桦尺蛾翅膀颜色变黑与工业化导致的空气污染有关,那么这种“工业黑化”又是怎么进化来的呢?在19世纪末20世纪初,许多生物学家都相信拉马克主义:后天的环境因素会直接导致生物体产生可以遗传下去的变异。因此推测,桦尺蛾的黑化是在污染物的刺激下产生的。有一位昆虫学家用沾了煤烟成分的树叶喂养从非工业化区抓来的桦尺蛾幼虫,发现有的变成了黑蛾。这似乎验证了拉马克主义的假说。可惜,这个实验结果别人重复不出来,而没法被独立地重复的结果,是无法获得承认的。
   
另有一些生物学家相信达尔文提出的自然选择理论。根据这个当时还未被生物学界普遍接受的学说,黑蛾变异并不是被煤烟成分诱发的,而是随机产生的。随机的基因突变总能产生极少数黑蛾,在非工业化地区,这些黑蛾将很快被自然选择淘汰。但是在污染地区,黑化却有生存优势,因此迅速传播开去。在1920年代,英国大生物学家荷尔登(J.B.S.
Haldane,
1892-1964)计算出,这个自然选择过程要能发生,平均每一代黑蛾和灰斑蛾后代的生存比例必须是1.5:1。
   
但是,黑化究竟有什么生存优势呢?不难设想,桦尺蛾翅膀起到了某种伪装作用。这种伪装看上去非常成功,如果背景合适,桦尺蛾用肉眼几乎难以发现:每当我向学生们展示照片,指出隐藏在树干上的桦尺蛾时,都会引起一阵惊叹。在非工业化地区的森林中,树干长满苔藓,长着灰色斑点的翅膀的桦尺蛾停在这种树干上,不容易被天敌(鸟类)发现,而黑色翅膀则容易被发现。在工业化地区,树干上的苔藓被黑色的煤烟取代了,情形恰好相反,灰斑蛾容易被天敌发现,而黑蛾不容易。所以,“工业黑化”现象可能是由于鸟类不容易发现、捕食停在覆盖着煤烟的树干上的黑蛾,而灰斑蛾更容易被捕食导致的。
   
这个假说听上去很合理,但是再合理的假说在被检验之前也还是假说。这个假说在1896年就有人提出了,但是直到1950年代,才由英国生物学家凯特威尔(H.B.D.
Kettlewell,
1907-1979)用实验对它进行了验证。他在一个种着树的鸟舍中释放了同等数目的灰斑蛾和黑蛾,然后放出鸟,观察、记录它们的捕食情况。结论是:蛾的翅膀的确起到了避免被捕食的伪装作用,在同一根树干上,显眼蛾被捕食的几率高出不显眼蛾达三倍。
   
人为条件下的实验结果真的能反映自然生态吗?为了回应这个疑问,凯特威尔在工业污染严重的地区进行野外实验。他将大量的灰斑蛾和黑蛾做了标记,然后释放。由于雌蛾很少飞翔,他只用雄蛾做实验。一周后,他用汞汽灯和未交配的雌蛾做为诱饵捕捉雄蛾,连续持续了多个晚上。重新捕获的黑蛾的比例,大约是重新捕获的灰斑蛾的两倍,凯特威尔认为那些失踪的蛾是被鸟类捕食了,这表明在工业污染地区,黑蛾的生存机会是灰斑蛾的两倍。这个数字很接近30年前荷尔登的计算结果。
   
但是,重新捕获的黑蛾的比例高于灰斑蛾,也可能是由于其他未知因素导致的,例如,黑蛾比灰斑蛾更容易被汞汽灯或雌蛾所吸引,灰斑蛾比黑蛾更爱迁移到外地,由于某种与伪装无关的因素灰斑蛾在野外的生存能力较差等等。几个月后,凯特威尔做了一个对照实验,排除了所有这些可能性。他改到未受污染的地区重复实验,结果与上一次恰恰相反,重新捕获的灰斑蛾的比例,大约是重新捕获的黑蛾的两倍,也就是说,在未受污染的地区,灰斑蛾的生存机会是黑蛾的两倍。两次实验结果合起来,雄辩地证明了影响桦尺蛾野外生存机会的因素,是其翅膀颜色的伪装能力。后来,有几个其他实验室重复、改进了凯特威尔实验,都得到了相似的结果。
   
不过,凯特威尔实验并没有直接观察到鸟类在野外选择性地捕食黑蛾或灰斑蛾,而是间接的推论。剑桥大学遗传学教授麦克·马杰鲁斯(Michael
Majerus)用了7年时间弥补这一不足。7年来,他每天天不亮就起床,花上几个小时用望远镜观察、记录鸟类在他家的花园捕食桦尺蛾的情况。他观察到,由于剑桥没有被污染,黑蛾的确比灰斑蛾更容易被鸟类捕食。他的结论是:鸟类有选择的捕食是2001年到2007年间剑桥的黑蛾频率下降的一个主要因素。
   
在众多生物学家的努力下,用科学方法(观察-假说-验证),让这种不起眼的小蛾子清楚地证明了自然选择这一伟大学说的正确。

2007.9.10.

(《中国青年报》2007.9.12)

(XYS20070913)

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